CN107685071A - 一种用于污染场地原位修复工程的加热井 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于污染场地原位修复工程的加热井，在污染场地内由地面向地下设置；加热井为内外同心套管结构，其包含内管和套置在内管外的外管；外管底部设有底盖，内管底部为不设底盖的开口。外管内侧壁与内管外侧壁之间设有空隙。外管安装在污染场地中预先设置的由地面向下的土孔内，外管外侧壁与土孔内侧壁之间的间隙内填有填料；填料内设有若干高度不同的热电偶测温探头。加热井的顶端为热风进口，热风进口与热风炉连接；加热井高于地面部分的侧壁上设有热风排口；热风排口设有热风调节阀。本发明提供的用于污染场地原位修复工程的加热井，具有安全可靠、热脱附温度高、修复效果好、修复后污染物浓度不反弹等突出特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于污染场地修复的加热装置，具体地，涉及一种用于污染场地原位修复工程的加热井。
背景技术
热脱附(Thermal Desorption)技术可广泛适用于挥发性有机物、半挥发性有机物、石油烃类或汞污染场地的原位或者异位修复。该技术通过直接或间接加热的方式，将污染土壤和/或地下水加热至接近甚至超过目标污染物的沸点，通过控制体系温度和高温持续时间有选择地促使目标污染物解吸、气化、挥发、分解或者增加其流动性，使目标污染物与土壤介质分离、去除，从而实现污染场地修复的目的。
原位热脱附修复技术可以在污染场地原位实施，无需对污染土壤进行开挖等作业，主要由场地原位加热单元、污染物抽提与回收单元以及废水/废气处理单元等构成。其中场地原位加热单元是原位热脱附技术的核心，其通过在场地内将电能、热能或者化学能等不同形式的能量以原位电阻发热、电热转换或燃烧产热后原位热传导加热或者原位蒸汽注射加热等方式转化或转移至污染场地，使受污染的土壤和/或地下水逐步升温达到目标修复温度并维持一定时间，从而可将目标污染物从原本赋存的土壤介质分离去除。在高温条件下抽提系统会将目标污染物通过地下水或土壤气的形式从地下污染区域转移至地面进行回收，或者通过废水/废气处理单元处理后达标排放。该技术对污染物的污染程度和场地地质和水文地质条件不敏感，可以有效修复重污染、地质和水文地质条件复杂的污染场地。
目前，原位热脱附修复技术在国内污染场地修复中的工程应用仍然较为有限，限制其推广应用的主要原因在于部分场地临时性的大规模用电不易获取、蒸汽注射加热脱附技术易受到场地地质条件和目标温度上限的限制、原位加热所需能源成本较高、场地地下水流不易控制、脱附出的土壤气体不易有效捕集而逃逸污染环境、抽提出的污染物冷凝回收效率较低、产生的高湿度废气不易处理、废水性质复杂较难处理等各种困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于污染场地修复的加热装置，利用原位热脱附修复技术，解决现有问题，有效修复重污染、地质和水文地质条件复杂的污染场地。
为了达到上述目的，本发明提供了一种用于污染场地原位修复工程的加热井，其中，所述的加热井在污染场地内由地面向地下设置；所述的加热井为内外同心套管结构，其包含内管和套置在内管外的外管；所述的外管底部设有底盖，内管底部为不设底盖的开口。
上述的用于污染场地原位修复工程的加热井，其中，所述的加热井与加热井之间的安装间距为1-3m，加热井的深度比需要修复的目标污染区域的深度深0.3-0.5m。加热井可以竖直安装，也可斜向安装，在平面布置上以三角形或者正方形的形式布置。
上述的用于污染场地原位修复工程的加热井，其中，所述的外管管径为100-140cm，内管管径为75-90cm；外管内侧壁与内管外侧壁之间设有空隙。
上述的用于污染场地原位修复工程的加热井，其中，所述的内管，其底部与外管底部底盖的距离为20-30cm。
上述的用于污染场地原位修复工程的加热井，其中，所述的外管安装在污染场地中预先设置的由地面向下的土孔内，外管的外侧壁与土孔内侧壁之间设有10-20cm的间隙。
上述的用于污染场地原位修复工程的加热井，其中，所述的外管，其外侧壁与土孔内侧壁之间的间隙内填有填料；所述的填料为石英砂或陶粒；填料内设有若干高度不同的热电偶测温探头。
上述的用于污染场地原位修复工程的加热井，其中，所述的加热井，其顶部高于地面，加热井的顶端为热风进口，所述的热风进口与制造热风的热风炉连接；加热井高于地面部分的侧壁上设有热风排口；所述的热风排口设有热风调节阀。所述的热风进口也设有阀门。所述的加热井安装在污染场地内，高温热风通过该加热井与土壤完成间接换热。热风调节阀和热电偶测温探头分别与电控系统连接，填料间在不同深度处设置的热电偶测温探头探测到填料温度达到一个较高的设置温度时，可以通过电控系统自动调小或关闭加热井上的热风调节阀开度；当填料温度达到一个较低的设置温度时，可以通过电控系统自动开启或调大热风调节阀开度。所述的电控系统优选为STM32F407单片机。热风炉和加热井之间还设有引风机，热风炉产生的高温热风通过引风机的负压作用引入加热井进行加热。高温热风先经内管由上而下送入加热井管底部，再通过内管与外管间的空隙由下而上折返回地面，经过一个加热井侧面的热风排口排出。可灵活设置集中式热风炉与加热井群的配置形式，包括一个热风炉配备一个加热井；或者一个热风炉配备多个加热井，多个加热井并联运行，并通过阀门调节进入每个加热井的热风量尽可能均衡；相邻加热井也可串联运行，高温热风经一个加热井换好热后再送入另一个加热井继续换热后再排放。
上述的用于污染场地原位修复工程的加热井，其中，所述的加热井，其所在的污染场地的地面设有混凝土层，所述的混凝土层分为上下两层；下层为气泡混凝土，厚度为15-30cm；上层为普通混凝土，厚度为10-20cm。地表混凝土层水平范围多出污染场地的修复区域各侧1-2m。普通混凝土(normal concrete)一般指以水泥为主要胶凝材料，与水、砂、石子，必要时掺入化学外加剂和矿物掺合料，按适当比例配合，经过均匀搅拌、密实成型及养护硬化而成的人造石材。气泡混凝土(Foamed Cement)是通过气泡机的发泡系统将发泡剂用机械方式充分发泡，并将泡沫与水泥浆均匀混合，然后经过发泡机的泵送系统进行现浇施工或模具成型，经自然养护所形成的一种含有大量封闭气孔的新型轻质保温材料。
上述的用于污染场地原位修复工程的加热井，其中，所述的混凝土层在设置加热井位置预留相应的孔洞，所述的孔洞内设有钢制预埋套管或铁环，加热井穿过所述的钢制预埋套管或铁环并与钢制预埋套管或铁环之间在混凝土固化后填充膨润土进行密封。
本发明提供的用于污染场地原位修复工程的加热井具有以下优点：
该加热井安装在污染场地内，高温热风通过该加热井与土壤完成间接换热，从而通过热传导的方式来提高加热井管周边的土壤和/或地下水温度，完成换热的热风采用引风机排出。该加热井属于燃烧式原位热脱附修复技术中的一个必要设备，燃烧式原位热脱附修复技术是通过燃烧产热的方式将不同燃料(石油气、天然气或柴油等)的化学能转换为热能，直接以高温燃烧烟气作为热载体通过热传导的方式经由污染场地原位安装的加热井将热量传导至地下，从而提高场地温度并实现目标污染物的脱附和抽提去除的目的。燃烧式原位热脱附修复技术产生的高温烟气可以达到750-900℃，经间接换热和热传导后污染场地土壤温度最高可达600℃以上，具有能源容易获取、系统安全可靠、热脱附温度高、修复效果好，修复后污染物浓度不反弹等突出特点，应用前景广阔。
附图说明
图1为本发明的用于污染场地原位修复工程的加热井的结构示意图。
图2为本发明的用于污染场地原位修复工程的加热井的控制单元示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明。
如图1所示，本发明提供的用于污染场地原位修复工程的加热井1，在污染场地16内由地面向地下设置。加热井1与加热井1之间的安装间距为1-3m，加热井1的深度比需要修复的目标污染区域的深度深0.3-0.5m。加热井1可以竖直安装，也可斜向安装，在平面布置上以三角形或者正方形的形式布置。
加热井1为内外同心套管结构，其包含内管2和套置在内管2外的外管3；外管3底部设有底盖4，内管2底部为不设底盖的开口5。
外管3管径为100-140cm，内管2管径为75-90cm；外管3内侧壁与内管2外侧壁之间设有空隙6。内管2底部与外管3底部底盖4的距离为20-30cm。
外管3安装在污染场地16中预先设置的由地面向下的土孔内，外管3的外侧壁与土孔内侧壁之间设有10-20cm的间隙。外管3外侧壁与土孔内侧壁之间的间隙内填有填料7；填料7为石英砂或陶粒；填料7内设有若干高度不同的热电偶测温探头19。
加热井1顶部高于地面，加热井1的顶端为热风进口8，热风进口8与制造热风的热风炉17连接；加热井1高于地面部分的侧壁上设有热风排口9；热风排口9设有热风调节阀10。热风进口8也设有阀门11。加热井1安装在污染场地16内，高温热风通过该加热井1与土壤完成间接换热。热风调节阀10和热电偶测温探头19分别与电控系统20连接，组成控制单元。填料7间在不同深度处设置的热电偶测温探头19探测到填料7温度达到一个较高的设置温度时，可以通过电控系统20自动调小或关闭加热井1上的热风调节阀10开度；当填料7温度达到一个较低的设置温度时，可以通过电控系统20自动开启或调大热风调节阀10开度。该电控系统20优选为STM32F407单片机。参见图2所示。
热风炉17和加热井1之间还设有引风机，热风炉17产生的高温热风通过引风机的负压作用引入加热井1进行加热。高温热风先经内管2由上而下送入加热井1的井管底部，再通过内管2与外管3间的空隙6由下而上折返回地面，经过一个加热井1侧面的热风排口9排出。可灵活设置集中式热风炉17与加热井群的配置形式，包括一个热风炉17配备一个加热井1；或者一个热风炉17配备多个加热井1，多个加热井1并联运行，并通过阀门调节进入每个加热井1的热风量尽可能均衡；相邻加热井1也可串联运行，高温热风经一个加热井1换好热后再送入另一个加热井1继续换热后再排放。
加热井1所在的污染场地16的地面设有混凝土层12，混凝土层12分为上下两层；下层为气泡混凝土13，厚度为15-30cm；上层为普通混凝土14，厚度为10-20cm。地表混凝土层12水平范围多出污染场地16的修复区域各侧1-2m。混凝土层12在设置加热井1位置预留相应的孔洞，孔洞内设有预埋套管15，优选为钢制预埋套管或铁环，加热井1穿过钢制预埋套管或铁环并与钢制预埋套管或铁环之间在混凝土固化后填充膨润土18进行密封。普通混凝土(normal concrete)一般指以水泥为主要胶凝材料，与水、砂、石子，必要时掺入化学外加剂和矿物掺合料，按适当比例配合，经过均匀搅拌、密实成型及养护硬化而成的人造石材。气泡混凝土(Foamed Cement)是通过气泡机的发泡系统将发泡剂用机械方式充分发泡，并将泡沫与水泥浆均匀混合，然后经过发泡机的泵送系统进行现浇施工或模具成型，经自然养护所形成的一种含有大量封闭气孔的新型轻质保温材料。
下面结合实施例对本发明提供的用于污染场地原位修复工程的加热井做更进一步描述。
实施例1
加热井1是内外同心套管的设计，外管3管径130cm，内管2管径60cm，采用不锈钢材质；外管3底部设底盖4，内管2底部为不设底盖的开口5，与外管3底部间距25cm。高温热风先经内管2由上而下送入加热井1底部，再通过内管2与外管3间的空隙6由下而上折返回地面，经过一个设置在侧面热风排口9排出，从而达到均衡换热温度的目的。热风排口9设有热风调节阀10。
加热井1安装时外管3与钻探的土孔间一般会有20cm的环隙，填入热容量大、导热系数好的陶粒作为填料7以确保传热效果。在陶粒填料7间于不同深度处设置热电偶测温探头19，当陶粒温度达到一个较高的设置温度如650℃时可以通过电控系统20自动调小或关闭加热井1末端的热风调节阀10开度，减少给该加热井1提供的高温热风；当陶粒温度达到一个较低的设置温度如400℃时可以通过电控系统20自动开启或者调大热风调节阀10开度，增加给该加热井1提供的高温热风。该电控系统20优选为STM32F407单片机。由于陶粒不仅可以确保传热效果，还具有较好的蓄热能力，因此上述切换会持续一个相对较长的时间，这样可以实现在加热井1周边热量没有及时传导出去之前停止给加热井1提供热量，从而有效防止了加热井1内高温热风与周边土壤温差较小而造成的较差的换热效果，降低了系统的能耗水平。
根据场地污染分布情况、场地实际条件与系统设计特点，可灵活设置集中式热风炉17与加热井群的配置形式，如一个热风炉17配备多个加热，相邻加热井1串联运行，即高温热风经一个加热井1换好热后再送入另一个加热井1继续换热后再排放。加热井1竖直安装，在平面上可以以三角形或者正方形的形式布置，井间距2m，加热井1深度根据污染深度确定，一般会超出目标污染深度0.3m；在较为特殊的应用条件下，也可以进行斜向安装与布置。
热风炉17产生的高温热风通过引风机的负压作用引入加热井1，从加热井1顶端的热风进口8引入加热井1进行加热。热风进口8设有阀门11。高温热风经过与加热井群的换热后，从加热井1外管3上端的热风排口9排出，每组加热井1的井管热风排口9设置热风调节阀10，通过耐热金属软管连通至热风总管；运行中可通过阀门调节，配平各组加热井1的井管流通风量，或根据修复区域不同加热点的温度情况进行有针对性的热风调节。
加热井1所在的污染场地16的地面设有混凝土层12，混凝土层12分为上下两层；下层为气泡混凝土13，厚度为15cm；上层为普通混凝土14，厚度为15cm。地表混凝土层12水平范围多出污染场地16的修复区域各侧1m。安装在地下的加热井1均会向上穿过混凝土层12后与地面设施连接。在安装过程中混凝土层12在所有管道穿过的位置均预留孔，孔内设置预埋套管15，优选为铁环，加热井1穿过铁环，铁环与井管间待混凝土固化后通过填充膨润土18来密封。这样可以有效降低加热过程中由于土壤和管件热膨胀造成混凝土体破裂，影响密封效果。
实施例2
加热井1根据污染场地16原位修复区域的污染分布进行设计安装组成加热井群，平面上采用正方形密集均布的形式，井间距在1.5m；垂直方向上与修复深度进行匹配，并超出污染深度0.5m。
根据场地污染分布情况、场地实际条件与系统设计特点，采用一个热风炉17配备多个加热井1的配置，多个加热井1并联运行，并通过阀门调节进入每个加热井1的热风量尽可能均衡。
加热井1为内外同心套管形式，采用不锈钢材质；内管2管径50cm，底部为不设底盖的开口5；外管3管径125cm，底部设底盖4；内管2与外管3底部间距20cm。集中式热风炉17产生的高温热风先经加热井1的内管2由上而下送入加热井1的井管底部，再通过内管2与外管3间的空隙6由下而上折返至加热井1的井管地面部分，经设置在外管3上端侧面的热风排口9排出。加热井1的井管安装时外管3与钻探的土孔间有约15cm的环隙，直接填入石英砂作为填料7以确保传热效果。石英砂中在不同深度处设置热电偶测温探头19。热电偶测温探头19与电控系统20连接，电控系统20根据热电偶测温探头19探测到的温度，控制安装在热风排口9的热风调节阀10的开度。该电控系统20优选为STM32F407单片机。
热风炉17产生的高温热风通过引风机的负压作用从加热井1顶端的热风进口8引入加热井1进行加热。热风进口8设有阀门11。高温热风经过与加热井群的换热后，从加热井1外管3上端的热风排口9排出，每组加热井1的井管热风排口9设置热风调节阀10，通过耐热金属软管连通至热风总管；运行中可通过阀门调节，配平各组加热井1的井管流通风量，或根据修复区域不同加热点的温度情况进行有针对性的热风调节。
该加热井1在安装时，首先根据加热井群的布置进行井孔钻探；每完成一个井孔的钻探，立即进行该口井的井管安装，井管就位后，井孔中填入2-5mm粒径的石英砂直至地面以下300mm，并填充膨润土18至地面进行封孔。
完成加热井群的安装后，在原位修复区域分先后铺设两层各20cm厚的混凝土层12，其中，与待修复土壤直接接触的混凝土层12采用气泡混凝土13进行制作，完成养护后再在上方铺设20cm厚的普通混凝土14；在混凝土层12的铺设过程中，在加热井1的井管周围预埋比井管直径大50mm的预埋套管15，优选为钢质预埋套管，预埋套管15与井管间通过填充膨润土18密封，有效降低加热过程中由于土壤和管件热膨胀造成混凝土体破裂的可能性。
本发明提供的用于污染场地原位修复工程的加热井，属于燃烧式原位热脱附修复技术中的一个必要设备，其安装在污染场地内，高温热风通过该加热井与土壤完成间接换热，从而通过热传导的方式来提高加热井的井管周边的土壤和/或地下水温度，完成换热的热风采用引风机排出，具有能源容易获取、系统安全可靠、热脱附温度高、修复效果好，修复后污染物浓度不反弹等突出特点，应用前景广阔。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种用于污染场地原位修复工程的加热井，其特征在于，所述的加热井在污染场地内由地面向地下设置；所述的加热井为内外同心套管结构，其包含内管和套置在内管外的外管；所述的外管底部设有底盖，内管底部为不设底盖的开口。
2.如权利要求1所述的用于污染场地原位修复工程的加热井，其特征在于，所述的加热井与加热井之间的安装间距为1-3m，加热井的深度比需要修复的污染区域的深度深0.3-0.5m。
3.如权利要求1所述的用于污染场地原位修复工程的加热井，其特征在于，所述的外管管径为100-140cm，内管管径为75-90cm；外管内侧壁与内管外侧壁之间设有空隙。
4.如权利要求3所述的用于污染场地原位修复工程的加热井，其特征在于，所述的内管，其底部与外管底部底盖的距离为20-30cm。
5.如权利要求4所述的用于污染场地原位修复工程的加热井，其特征在于，所述的外管安装在污染场地中预先设置的由地面向下的土孔内，外管的外侧壁与土孔内侧壁之间设有10-20cm的间隙。
6.如权利要求5所述的用于污染场地原位修复工程的加热井，其特征在于，所述的外管，其外侧壁与土孔内侧壁之间的间隙内填有填料；所述的填料内设有若干高度不同的热电偶测温探头。
7.如权利要求6所述的用于污染场地原位修复工程的加热井，其特征在于，所述的填料为石英砂或陶粒。
8.如权利要求1所述的用于污染场地原位修复工程的加热井，其特征在于，所述的加热井，其顶部高于地面，加热井的顶端为热风进口，所述的热风进口与制造热风的热风炉连接；加热井高于地面部分的侧壁上设有热风排口；所述的热风排口设有热风调节阀。
9.如权利要求8所述的用于污染场地原位修复工程的加热井，其特征在于，所述的加热井，其所在的污染场地的地面设有混凝土层，所述的混凝土层分为上下两层；下层为气泡混凝土，厚度为15-30cm；上层为普通混凝土，厚度为10-20cm。
10.如权利要求9所述的用于污染场地原位修复工程的加热井，其特征在于，所述的混凝土层在设置加热井位置预留相应的孔洞，所述的孔洞内设有预埋套管，加热井穿过所述的预埋套管并与预埋套管之间在混凝土固化后填充膨润土进行密封。
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